环境生态学教学第十二章.ppt

第十二章环境污染的生态效应 第一节环境污染物在生态系统中的行为第二节环境污染的种群生态效应第三节污染物的群落与生态系统效应第四节污染物生态效应研究方法第五节生物监测 参考文献课后要求 第一节环境污染物在生态系统中的行为 一 环境污染的概念 指有害物质或因子进入环境 并在环境中扩散 迁移 转化 使环境系统结构与功能发生变化 对人类以及其他生物的正常生存和发展产生不利影响的现象 引起环境污染的物质或因子称为污染物 二 环境污染物在生态系统中的行为进入生态系统的污染物 在生态系统中的行为一般可能经历三类具体过程 即迁移 转化和矿化或降解 污染物在环境中的迁移污染物的迁移是指污染物在环境中发生的空间位置的移动及其存在形式或存在状态的变化 主要有以下三种方式 机械迁移物理化学迁移生物迁移 应注意的是 1 并非所有污染物的迁移都涉及到这三个具体过程 2 污染物的迁移作用使得污染物可以传送到很远的距离 由局部性污染引起区域性污染 甚至造成全球性的污染 污染物在环境中的转化 污染物在环境中通过物理 化学或生物的作用由一种存在形态转变成另一种存在形态的过程 污染物的迁移过程往往同时伴随着污染物本身的形态转变 反之亦然 污染物的物理转化通过蒸发 渗透 凝聚 吸附以及放射性元素的蜕变等 种或几种过程来实现污染物的化学转化通过各种化学反应发生的转化 如氧化还原反应 水解反应 络合反应 光化学反应等污染物的生物转化通过生物的吸收和代谢作用而发生的变化 污染物在食物链中的转移污染物在食物链中的转移是指污染物经生物的取食与被食关系沿食物链从低营养级传递到高营养级生物体内的过程 1 生物浓缩指生物机体或处于同一营养级上的生物种群 从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物 使生物体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象 又称为生物学富集 2 浓缩系数或富集因子生物体内某种元素或难分解的化合物的浓度同它所生存的环境中该物质的浓度比值 2 生物积累指生物在其整个代谢活跃期通过吸收 吸附 吞食等各种过程 从周围环境中蓄积某些元素或难分解的化合物 以致随着生长发育 浓缩系数不断增大的现象 又称生物学积累 3 生物放大生态系统中 由于高营养级生物以低营养级生物为食物 某种元素或难分解化合物在生物机体中的浓度随着营养级的提高而逐步增大的现象称为生物放大 环境污染的生态效应生态效应包括两个方面的涵义 一是指有利于生态系统中生物体生存和发展的变化 即良性的生态效应 另一方面是指不利于生态系统中生物体生存和发展的变化 即不良的生态效应 目前 人们习惯于将不利于生态系统中生物体生存和发展的现象称为生态效应 个体生态效应污染物在生物个体水平上的影响 如行为改变 繁殖下降 生长和发育受阻 产量下降 死亡等种群生态效应污染物在种群层次上的影响 如种群的密度 繁殖 数量动态 种间关系 种群进化等的影响群落和生态系统效应污染物对生态系统结构和功能的影响 包括生态系统组成成分 结构以及物质循环 能量流动 信息传递和系统动态进化等 第二节环境污染的种群生态效应 一 污染对种群动态的影响 污染物对种群动态的影响主要表现为种群数量的改变 种群性比和年龄结构的变化 种群增长率的改变 种群调节机制的改变等 1 导致个体数量的增加或减少2 改变种群的生活史进程3 对种群增长率的影响4 影响种群的性别比例和年龄结构 二 污染对种间关系的影响污染物通过影响生物体的生理代谢功能 使之出现各种异常生理 心理及行为反应 从而改变原有的种间关系 污染物毒害会影响到动物取食能力 捕获猎物的能力以及逃脱捕食者的能力等 污染物可以改变或逆转种间竞争关系 三 污染与种群进化研究表明 生物对污染物的抗性是污染胁迫下种群进化的基本过程 抗性是指有机体暴露在逆境 如有毒物质 低温 干旱及病虫害等 时成功进行各项固有活动的能力 生物有机体对污染物的抗性通常有两种基本类型 回避性和耐受性避性是指有机体阻止环境中过量污染物进人体内的能力 耐性是指有机体处理过量蓄积在体内的污染物的能力 第三节污染物的群落与生态系统效应 一 污染对生态系统结构的影响 污染物可导致群落组成和结构的改变 包括优势种变化 生物量 丰度 种的多样性等 污染物对群落物种组成的影响是由于不同物种对污染物的敏感性不同引起的 耐污种 敏感种 污染物对群落和生态系统的结构效应主要反映在群落的物种组成和物种多样性的变化上 是生物监测的理论基础 1 水生生态系统2 陆生生态系统 二 污染物对生态系统功能的影响 1 污染对初级生产量的影响直接毒害作用使初级生产量下降通过减少重要营养元素的生物可利用性 减少光合作用 增加呼吸作用 增加病虫害胁迫等途径而使初级生产量下降2 污染对物质循环的影响污染物能在营养循环的一些作用点上影响营养物质的动态 如改变有机物质的分解和矿化速率 营养物质吸收状况等而影响生态系统的物质循环 三 污染与生态系统演替 在污染严重的地区 由于污染引起的初级生产力下降和环境条件的改变 已造成整个牛态系统的退化 群落朝着逆向演替的方向 甚至可能造成整个生态系统的崩溃 第四节污染物生态效应研究方法 一 污染物的毒性试验 1 毒物与毒性效应在一定条件下 能够对生物体造成损害的物质称为毒物 毒性效应是指化学物引起生物体损害的总和 毒性效应可以发生在不同的水平 如器官 组织 细胞等 2 污染物毒性参数 1 绝对致死剂量或浓度 2 半数致死剂量或浓度 3 最小致死剂量或浓度 2 污染物毒性参数 4 最大耐受剂量或浓度 5 最大无作用剂量 6 最小有作用剂量 7 半数效应浓度 8 半数抑制浓度 9 毒性最大容许浓度3 毒性分级我国将毒物分为剧毒 高毒 中等毒 低毒和微毒五级 4 毒性试验急件毒性试验亚慢性毒性试验慢性毒性试验 二 污染物的群落与生态系统效应研究方法 1 生物指数用来描述污染物对群落结构的影响 以反映受污染的群落和生态系统结构的变化 如群落种类组成变化 特别是某些对污染物敏感或有耐受性的种类的出现或消失 群落中种群的数量变化 群落中种类组成比例的变化等等 Beck生物指数IB 2 n1 n2按底栖大型无脊椎动物对有机污染的耐受性将其分为两类 n1是对污染敏感的生物种类 n2是抗污染的生物种类 硅藻生物指数式中 I为硅藻生物指数 A为不耐污染的种类数 B为在污染和清洁水体中均出现的种类数 C为在中等污染和多污染带出现的种类数 注意 生物指数均是以水生生态系统为基础提出的 只有在对所研究的生态系统和污染物有比较详细了解的条件下才能应用 所得结果的有效性基本上取决于对生物物种的正确鉴定及其抗污染能力的了解 另外 大多生物指数只考虑物种数 而忽略各物种的个体数 因而损失了部分信息 2 多样性指数多样性指数是群落内物种数及其多度的综合测度 用以描述群落的复杂度 香农 威纳指数辛普森多样性指数Margales指数一般来说 多样性指数所依据的只是群落中的部分物种 而且没有考虑不同物种的相对重要性或生态学功能 在以一个物种代替另一个物种的情形下 此类指数不能反映群落的变化 而且也不能反映出稀有物种的消失 事实上 若要揭示污染物对群落的影响 单以多样性指数的变化是不足为据的 还必须结合单个种群动态的变化 3 生产力生产力是反映一个生态系统内物质循环和能量流动的一个指标 用生产力评价的方法分析生态系统中生物种群或群落的物质代谢及能量流动的动态 以有机物的生产过程和分解过程的强度为依据评价污染物的群落和生态系统效应 三 模型生态系统法 是研究污染物在群落和生态系统水平上的生态效应的方法 这些方法主要用于研究污染物的生态效应 但也可用于研究污染物在生态系统中的行为 根据人工控制程度的大小 模型生态系统法可分为三大类 即模拟微系统试验 半模拟微系统试验和野外试验 1 模拟微系统模拟微系统是在实验室 温室 甚至气候箱等人工控制条件下建立 用以模拟选定的生态系统成分相互作用及其过程的人工生态系统 三 模型生态系统法 2 半模拟微系统半模拟微系统是指在野外条件下的部分人工控制试验 此类试验在野外真实环境条件下进行 气候及环境介质等基本环境因素与正常环境相同 但通常有一个人为边界 受试物与实验生物由实验者确定 3 野外试验野外试验是以真实生态系统为实验系统 测试污染物对生态系统的结构效应与功能效应 生态系统的所有条件基本上保持自然状态 实验者可以控制的变量是污染物的种类和数量 第五节生物监测 一 生物监测概述生物监测 biologicalmonitoring 是指以生物个体 种群或群落对环境污染物胁迫的反应为指标 检测环境的污染状况 从生物学角度为环境质量监测和评价提供依据 生物监测以环境污染物与生物之间的浓度 反应关系为基础 浓度 反应关系可以分为不同的类型 即使属于同一类浓度 反应关系 不同的化学物质或不同的生物其曲线也不尽相同 以陆地植物对大气污染物的反应为例 这些反应可能表现在叶片伤害 生物量变化以及生物积累等方面 在建立具体的生物监测技术之前 人们应事先了解监测生物对监测污染物的可能反应 这需要进行大量的实验研究 以便建立起浓度 反应关系 在各种高 精 尖理化检测仪器和分析手段可资利用的现代环境监测数据中 生物监测的理论和方法还能得到不断发展和有效应用 这反映出生物监测具有某些独特的应用价值和理化监测方法不能替代或不能有效替代的特点 在生物监测实践中 如果同时配合一定的理化监测技术 将会使生物监测结果更加明确有效 这说明生物监测本身具有一定的局限性 不能代替理化监测 生物监测的优点和局限性均是生物本身的特点所决定的 从某种意义上说 由环境质量变化所引起的生物学过程变化能够更直接地综合反映出环境质量对生态系统的影响 比用理化方法监测得到的参数更具有说服力 1 生物监测的优点 1 能综合反映环境质量状况 2 监测灵敏度高 能发现早期环境污染 3 能连续监测污染史 4 方法简便 成本低 2 生物监测的局限性 1 易受各种环境因素的影响 2 可能受到监测生物生长发育状况的影响 3 费时且难确定环境污染的实际浓度 鉴于生物监测的优点和局限性 在实际应用中可将其与理化监测配合运用 扬长避短 相互补充 准确监测 监测生物的规范化 监测条件 培养条件 观测时间等 的标准化 浓度 反应曲线的精确化 含供比较用的准确标准图谱 以及监测人员的专业化 如具有扎实的毒理学 生理学 分类学等知识 均可在一定程度上弥补生物监测之不足 二 监测生物及指标的选择监测生物是生物监测的核心 其优劣直接决定生物监测结果的可靠性 监测指标是检测监测生物对污染胁迫反应的依据 正确选择监测指标是生物监测成败的关键 因此 监测生物及指标的选择至关重要 1 生物的选择监测生物的选择应遵循以下五个原则 1 选择对污染物敏感的生物 2 选择具有污染特异性反应的生物 3 选择遗传上稳定的生物 4 选择易于繁殖和管理的常见生物 5 应尽量选择除监测功能外兼有其他功能的生物 2 监测指标的选择 理论上说 如果生物系统对污染胁迫产生反应 它必然有某种形式的状态改变 这些变化都可以作为监测指标 如症状指示指标 生长势和产量评价指标 生理生化指标 行为指标等 实际工作中 由于受到人力 经费 技术水平及其他条件的限制 不可能对所有指标全部进行测定 因此 只能根据具体情况有针对性地选择某些指标 2 监测指标的选择 1 根据监测目的选择监测指标 2 根据污染物的性质和毒理作用机制选择监测指标 3 根据生物的特性选择监测指标 三 生物监测的基本方法根据监测生物系统的组构水平 监测指标及分析技术等 可将生物监测的基本方法大致分为四类 化学成分分析法 生理学方法 毒理学与遗传毒理学方法 生态学方法 1 化学成分分析法化学成分分析法是基于生物的蓄积特性 通过分析生物体内污染物含量来监测环境污染状况 如应用污染指数 I I Cm CoCm 污染区指示植物中某污染物的含量Co 对照点同种植物中某污染物浓度 2 生理学方法生理学方法是利用污染物引起的生物个体行为 生长 发育以及各种生理生化变化为指标 监测环境污染状况 在一定的浓度范围以内 污染物没有致死作用和致病作用 但可能干扰机体的某些生理功能 使其部分功能受到影响 3 毒理学与遗传毒理学方法毒理学方法是以污染物引起机体病理状态和死亡为指标 监测环境污染状况 3 毒理学与遗传毒理学方法遗传毒理学方法是利用染色体畸变和基因突变为指标 监测环境污染物的致突变作用 4 生态学方法生态学方法是利用污染物引起的群落组成和结构变化及生态系统功能变化为指标 监测环境污染状况 课后要求1 概念与术语环境污染 污染物 迁移 转化 生物浓缩 浓缩系数 生物放大 生物富集 生态效应 环境激素 种群效应 耐污种 敏感种 群落效应 半数致死浓度 半数致死剂量